TY  - THES
A1  - Schürlein, Sebastian
T1  - Entwicklung von Technologien zur Optimierung von Tissue Engineering Prozessen am Beispiel der Herstellung von kardialem Gewebe
T1  - Development of technologies to optimize tissue engineering processes, documented on the example of the generation of cardiac tissue
N2  - Kardiovaskuläre Erkrankungen, wie beispielsweise der Herzinfarkt, sind die häufigste Todesursache weltweit. Bei einem Herzinfarkt sterben Areale des Herzens aufgrund einer Unterversorgung mit Blut ab. Da das Herzmuskelgewebe ein sogenanntes terminal differenziertes Gewebe ist, kommt es zu keiner Regeneration des Gewebes, mit der Folge einer Herzinsuffizienz beziehungsweise dem Tod des Patienten. Eine alternative Behandlungsmöglichkeit zu einer Herztransplantation stellt das Tissue Engineering dar. Mit Hilfe des Tissue Engineerings können dreidimensionale Gewebe aufgebaut und kultiviert werden, um auf diese Weise ein funktionelles Gewebe zu erhalten, durch welches das abgestorbene Gewebeareal des Herzens zukünftig auch ersetzt werden könnte.
In der vorliegenden Arbeit wurden notwendige Technologien für den Aufbau von Geweben entwickelt sowie erste Versuche für die Erzeugung eines funktionellen Herzmuskelgewebes durchgeführt. Beim Aufbau von dreidimensionalen Geweben finden Trägerstrukturen Anwendung, die mit Zellen besiedelt werden. Solche Trägerstrukturen können aus biologischen oder synthetischen Polymeren hergestellt sein oder aus der extrazellulären Matrix eines dezellularisierten Gewebes bestehen. Für eine standardisierte Dezellularisierung von Geweben wurde eine computergesteuerte Pumpeneinheit, für die Herstellung von Nanofaserscaffolds eine Elektrospinninganlage entwickelt. Mit Hilfe der Dezellularisierungseinheit können komplexe Organe, wie ein Herz im Ganzen, reproduzierbar dezellularisiert werden. Untersuchungen der mittels Elektrospinning hergestellten Nanofaserscaffolds, welche als Alternative zu der dezellularisierten, natürlichen Matrix eingesetzt werden können, zeigten bei allen hergestellten Zusammensetzungen eine Orientierung der Zellen entlang der Fasern.
Die Kultivierung von Zellmatrixkonstrukten erfolgt im Tissue Engineering häufig unter dynamischen Bedingungen. Hierfür wurde ein mobiler Stand Alone Inkubator mit der erforderlichen Peripherie für eine Kultur unter Perfusion des Gewebes entwickelt. Als Weiterentwicklung des Stand Alone Inkubators ist eine modulare Bioreaktorplattform, bestehend aus Wärmetauscher, Beutelpumpe und Gasaustauscher, aufgebaut worden. In dieses System kann über Standard Anschlüsse jegliche Art von Bioreaktor in das System eingebunden werden. Durch die Kompaktheit des Systems ist es möglich mehrere Ansätze parallel auf engem Raum durchzuführen. Die Funktion der Plattform, wurde in der vorliegenden Arbeit durch die Gewebekultur einer nativen porzinen Karotis nachgewiesen.
Für den Aufbau des kardialen Gewebes dient die small intestinal submucosa ohne Serosa (SISser) als Trägerstruktur. Der Aufbau des Gewebekonstrukts erfolgte in verschiedenen Ansätzen unter Einsatz verschiedener Zellarten. Native, aus Herzbiopsien generierte Cardiosphere derived cells (CDCs) verteilten sich gleichmäßige über die Oberfläche der Matrix, jedoch konnten immunhistologisch keine spezifischen kardialen Marker bei den artifiziellen Geweben nachgewiesen werden. Zellmatrixkonstrukte aus einer Mono Kultur von Kardiomyozyten, differenziert aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS Zellen) sowie einer Co Kultur dieser Kardiomyozyten mit mesenchymalen Stammzellen und Zellen aus einer Herzbiopsie zeigten nach wenigen Tagen in Kultur ein kontraktiles Verhalten. Immunhistologische Färbungen der beiden Gewebe bestätigten die Expression der spezifischen kardialen Marker, wie beispielsweise kardiales Troponin T, kardiales Troponin C und alpha Actinin. Die Kardiomyozyten der Mono Kultur sind jedoch nicht über die gesamte Matrixoberfläche verteilt, sondern bilden Aggregate. Bei der Co Kultur kann eine gleichmäßige Verteilung der Zellen auf der Matrix beobachtet werden. Der vielversprechendste Ansatz für den Aufbau eines Herzmuskelgewebes, welches als Implantat oder Testsystem eingesetzt werden kann, bildet nach den in dieser Arbeit erzielten Ergebnissen, ein Konstrukt aus der SISser und der Co Kultur der Zellen. Allerdings muss die Zusammensetzung der Co Kultur sowie das Verhältnis der Zellzahlen optimiert werden.
N2  - Cardiovascular diseases as myocardial infarction are the most frequent cause of death worldwide. During a myocardial infarction, areas of the heart are being damaged because of an insufficient nutrient supply. Heart tissue is a terminal differentiated tissue, this means that it can’t be regenerated by itself. The consequence of this characteristic is a heart insufficiency or the death of the patient. An alternative treatment to heart transplantation is promised by tissue engineering. By using the methods of tissue engineering, cells can be cultured on a scaffold to generate a mature tissue, which can be used to replace the damaged areas of the heart.
In the present work systems for the generation of tissues have been developed and first experiments to build up a functional cardiac patch were performed. To generate three-dimensional tissues, scaffolds colonized with cells are necessary. These scaffolds can be produced with biological or synthetic polymers or even decellularized tissues can be used. A computer controlled decellularization platform was designed to ensure a standardized, reproducible decellularization of complex organs like hearts. Furthermore, an electrospinning device was developed for the production of nanofiber scaffolds. On such matrices, seeded cells grow along the fibers.
Most cell-matrix-constructs are cultured under dynamic conditions in tissue engineering. A stand alone incubator system containing the required periphery to apply different culture conditions was developed. As further development a compact modular bioreactor platform consisting of a heat exchanger, a bag pump and a gas exchanger was established. All kinds of bioreactors can be enclosed to the system via standard Luer Lock Connectors. Due to the compactness of the system, it is possible to parallelize and run experiments easily on narrow space. The functionality of the platform was demonstrated by a tissue culture of a native porcine carotid artery. 
The small intestinal submucosa without serosa (SISser) was employed as matrix for the development of a functional cardiac patch. In different experiments diverse cell types were used to generate a cardiac construct. Cardiosphere derived cells (CDC) seeded on the SISser showed an equal distribution all over the surface of the matrix, but no expression of specific cardiac markers. Constructs consisting of a mono culture of induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes (CM iPS cells) or a co culture of CM iPS cells, mesenchymal stem cells and cells isolated form a heart biopsy showed a contraction of the whole matrix after a few days in culture. Furthermore, cardiac markers like cardiac troponin T, cardiac troponin C and alpha actinin could be observed by immunohistological staining. Regarding the morphology of the different tissues, the mono culture of the CM iPS cells formed agglomerates on the surface of the matrix whereas the co culture showed a well distribution of the cells all over the surface of the matrix. Consequently, the co culture on the SISser is the most promising approach for the development of a functional cardiac patch. However, the combination of cell types within the co culture and their ratio has to be optimized.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Herzmuskel
KW  - Bioreaktorplattform
KW  - Elektrospinning
KW  - kardiales Tissue Engineering
KW  - kardiales Gewebe
KW  - bioreactor plattform
KW  - electrospinning
KW  - cardiac tissue engineering
KW  - Biomaterial
KW  - Gewebekultur
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142432
ER  - 
TY  - THES
A1  - Günther, Katharina
T1  - Generation of early human neuroepithelial progenitors from primary cells for biomedical applications
T1  - Generierung früher humaner neuroepithelialer Vorläufer aus primären Zellen für biomedizinische Anwendungen
N2  - Patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) emerged as a promising cell source for disease modeling and drug screening as well as a virtually unlimited source for restorative therapy. The thesis deals with three major topics to help realizing biomedical applications with neural stem cells. 

To enable the generation of transgene-free iPSCs, alternatives to retroviral reprogramming were developed. Hence, the adaptation and evaluation of reprogramming using excisable lentiviral constructs, Sendai virus (SeV) and synthetic mRNA-based methods was assessed in the first part of this thesis. hiPSCs exhibit the pluripotency markers OCT4, SSEA-4, TRA1-60 which were confirmed by immunofluorescence and flow cytometry. Besides, the potential to differentiate in cell types of all three germ layers was detected, confirming pluripotent identity of proliferating colonies resulting from various reprogramming strategies. However, major differences such as high efficiency with SeV in contrast to a relatively low efficiency with mRNA in regard to passage number and the phenotype of starting fibroblasts were observed. Furthermore, a prolonged clone- and passage-dependent residual presence of viral RNA genes was identified in SeV-iPSCs for up to 23 passages using RT-PCR underlining the importance of careful monitoring of clone selection. In contrast, viral-free reprogramming by synthetic mRNA represents a fully non-integrative approach but requires further refinement to be efficiently applicable to all fibroblasts. 

The second part of this thesis deals with the establishment of a rapid monolayer approach to differentiate neural progenitor cells from iPSCs. To achieve this, a two-step protocol was developed allowing first the formation of a stable, primitive NPC line within 7 days which was expanded for 2-3 passages. In a second step, a subsequent adaptation to conditions yielding neural rosette-like NPCs followed. Both neural lines were demonstrated to be expandable, cryopreservable and negative for the pluripotency marker OCT4. Furthermore, a neural precursor identity including SOX1, SOX2, PAX6, Nestin was confirmed by immunofluorescence and quantitative RT-PCR. Moreover, the differentiation resulted in TUJ1-positive neurons and GFAP-positive astrocytes. Nonetheless, the outcome of glial differentiation from primitive NSCs remained low, whereas FGF/EGF-NPCs were efficiently differentiated into GFAP-positive astrocytes which were implicated in a cellular model of the blood brain barrier.

The third and major objective of this study was to generate human early neural progenitor cells from fetal brain tissue with a wide neural differentiation capacity. Therefore, a defined medium composition including small molecules and growth factors capable of modulation of crucial signaling pathways orchestrating early human development such as SHH and FGF was assessed. Indeed, specific culture conditions containing TGFβ inhibitor SB431542, SHH agonist Purmorphamine, GSK3β inhibitor CHIR99021 and basic FGF, but no EGF enabled robust formation of early neuroepithelial progenitor (eNEP) colonies displaying a homogeneous morphology and a high proliferation rate. Moreover, primary eNEPs exhibit a relatively high clonogenicity of more than 23 % and can be monoclonally expanded for more than 45 passages carrying a normal karyotype. Characterization by immunofluorescence, flow cytometry and quantitative RT-PCR revealed a distinct NPC profile including SOX1, PAX6, Nestin and SOX2 and Prominin. Furthermore, primary eNEPs show NOTCH and HES5 activation in combination with non-polarized morphology, indicative of an early neuroepithelial identity. Microarray analysis unraveled SOX11, BRN2 and other HES-genes as characteristic upregulated genes. Interestingly, eNEPs were detected to display ventral midbrain/hindbrain regional identity. The validation of yielded cell types upon differentiation indicates a strong neurogenic potential with more than 90 % of TUJ1-positive neurons. Moreover, astrocytes marked by GFAP and putative myelin structures indicating oligodendrocytes were identified. Electrophysiological recordings revealed functionally active neurons and immunofluorescence indicate GABAergic, glutamatergic, dopaminergic and serotonergic subtypes. Additionally, putative physiological synapse formation was observed by the presence of Synapsin and PSD-95 as well as by ultrastructural examination. Notably, rare neurons stained positive for the peripheral neuronal marker Peripherin suggesting the potential of eNEPS to give rise to cells of neural tube and neural crest origin. By the application of specific differentiation protocols an increase of TH-positive neurons or neural crest-derivatives such as putative A- and C-sensory neurons and mesenchymal cells was identified. Taken together, primary eNEPs might help to elucidate mechanisms of early human neurodevelopment and will serve as a novel source for cell replacement and further biomedical applications.
N2  - Patientenspezifische induziert pluripotente Zellen (iPSZ) haben sich als eine vielversprechende Möglichkeit erwiesen Zellen zu gewinnen, die für Krankheitsmodellierung, Arzneimitteltests und Zellersatztherapie in Frage kommen. In dieser Arbeit wurden drei wichtige Fragestellungen adressiert, die für potenzielle biomedizinische Anwendungen von neuralen Stammzellen von großem Interesse sind.

Um die Generierung von transgenfreien iPSZ zu ermöglichen, wurden Alternativen zur retroviralen Reprogrammierung entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Reprogrammierungsmethoden, die auf deletierbaren, lentiviralen Konstrukten oder nichtintegrativen Verfahren wie Sendaivirus (SeV)-Transduktion und Transfektion synthetischer mRNA basieren, adaptiert und evaluiert. Die daraus resultierenden iPSZ exprimieren die Pluripotenzmarker OCT4, SSEA-4 und TRA1-60. Weiterhin wurde das Potenzial in Zelltypen aller drei Keimblätter zu differenzieren nachgewiesen. Dadurch konnte die pluripotente Identität der proliferativen Kolonien bestätigt werden. Beim Vergleich der angewandten Methoden fielen, bezüglich der generierten iPSZ-Linien, sowohl qualitative als auch quantitative Unterschiede auf. Bei der Verwendung von SeV-Partikeln wurde eine hohe Reprogrammierungseffizienz festgestellt. Bei der Transfektion von mRNAs hingegen war die Reprogrammierungseffizienz deutlich niedriger. Diese war darüber hinaus abhängig von der Passage und dem Genotyp der Ausgangsfibroblasten. Des Weiteren konnte eine klon- und passagenabhängige Präsenz viraler Gene in SeV-iPSZ bis zu 23 Passagen lang beobachtet werden, während bei der mRNA-Transfektion keine Spuren der genetischen Manipulation zurückblieben. Dies verdeutlicht die Bedeutung einer sorgfältigen Qualitätskontrolle bei der Klonselektion im Falle der SeV-iPSZ. Im Gegensatz dazu stellt die Reprogrammierung durch Transfektion synthetischer mRNAs eine völlig nicht-integrative Strategie dar, erfordert allerdings weitere Verfeinerung um das Verfahren effizient und vor allem für alle Fibroblastenpräparationen anwendbar zu machen.

Der zweite Teil der Arbeit behandelt die Etablierung eines schnellen, adhärenten Protokolls, um neurale Vorläuferpopulation aus iPSZ zu differenzieren. Um dies zu erreichen, wurde ein zweiphasiges Protokoll entwickelt, welches zunächst die Generierung einer primitiven neuralen Vorläuferzellpopulation innerhalb von 7 Tagen erlaubt. In einem zweiten Schritt erfolgte die Adaptierung an Kulturbedingungen, die eine neurale, rosettenähnliche Zellpopulation induzieren. Beide neuralen Zellpopulationen konnten weiter expandiert und eingefroren werden und waren negativ für den Pluripotenz-assoziierten Transkriptionsfaktor OCT4. Darüber hinaus konnte die neurale Vorläuferidentität mittels positiver Expression von SOX1, SOX2, PAX6 und Nestin bestätigt werden. Eine weitere Differenzierung dieser Zellen resultierte in TUJ1-positiven Neuronen und GFAP-positiven Astrozyten, die die Verwendung der Zellpopulation beispielsweise in einem zellulären Modell der Blut-Hirn-Schranke erlaubten.

Das Hauptprojekt dieser Dissertation war es, frühe humane neurale Vorläuferzellen aus fetalem Hirngewebe zu isolieren und in Kultur zu stabilisieren. Diese Population sollte eine breite Differenzierungskapazität aufweisen. Zu diesem Zweck wurde eine chemisch definierte Medienzusammensetzung gewählt, die zusätzlich pharmakologisch wirksame Verbindungen und Wachstumsfaktoren beinhaltet. Hierdurch konnten Signaltransduktionswege wie zum Beispiel der Sonic-Hedgehog- (SHH) oder FGF-Signalweg, die bei der frühen neuralen Entwicklung eine bedeutende Rolle spielen, moduliert werden. In der Tat ermöglichten spezifische Kultivierungsbedingungen, die den TGFβ-Inhibitor SB431542, den SHH-Agonisten Purmorphamin, den GSK3β-Inhibitor CHIR99021 und basisches FGF, jedoch kein EGF enthielten, die robuste Bildung einer früheren neuroepithelialen Vorläuferpopulation (eNEP). Die so stabilisierten Kolonien wiesen eine homogene Morphologie und eine hohe Proliferationsrate auf. Außerdem zeigten sie eine hohe Klonogenitätsrate von 23%, die es ermöglichte monoklonale Zelllinien zu isolieren und für mehr als 45 Passagen zu expandieren. Dabei blieb ein normaler Karyotyp erhalten. Die Zellen zeigten ein eindeutiges neurales Profil, gekennzeichnet durch SOX1, PAX6, Nestin, SOX2 und Prominin-Expression. Weiterhin wiesen eNEPs NOTCH und HES5-Aktivierung in Kombination mit nicht-polarisierter Morphologie auf, was auf eine frühe neuropitheliale Identität hinweist. Eine Microarray-Analyse demonstrierte weiterhin SOX11, BRN2 und einige HES-Gene als charakteristisch hochregulierte Gene. Interessanterweise zeigen eNEPs eine regionale Identität, die auf eine Mittelhirn/Hinterhirn-Regionalisierung hinweist. Die Validierung ungerichtet ausdifferenzierter Zelltypen offenbarte mit einem Kulturanteil von 90% TUJ1-positiven Neuronen ein stark neurogenes Potenzial. Zusätzlich konnten GFAPpositive Astrozyten sowie mögliche Myelinstrukturen, die auf Oligodendrozyten hinweisen, nachgewiesen werden. Elektrophysiologische Aufzeichnungen deuten auf funktionell aktive Neurone hin und Immunofluoreszenzfärbungen zeigten GABAerge, glutamaterge, dopaminerge und serotonerge neuronale Subtypen. Außerdem wurden mittels Immunfluoreszenzanalyse Synapsin- und PSD-95- positive synaptische Strukturen nachgewiesen. Ultrastrukturelle Analysen mittels Transmissionselektronenmikroskopie bestätigten das Ergebnis. Hervorzuheben ist, dass einige Neurone positiv für den peripheren Neuronenmarker Peripherin gefärbt wurden, was darauf hinweist, dass eNEPs das Potenzial besitzen, in Zellen der Neuralleiste zu differenzieren. Durch die Verwendung von spezifischen Differenzierungsprotokollen konnte das Vorkommen TH-positiver und auch möglicher A- und C-sensorischer Fasern, sowie mesenchymaler Zellen nachgewiesen werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass primäre eNEPs dazu beitragen könnten, die frühe humane Gehirnentwicklung zu verstehen. Darüber hinaus stellen eNEPs eine potentielle zelluläre Quelle für Zellersatztherapien und weitere biomedizinische Anwendungen dar.
KW  - progenitors
KW  - stem cells
KW  - biomedicine
KW  - human primary cells
KW  - biomedical applications
KW  - neuroepithelial progenitors
KW  - neuroepitheliale Vorläufer
KW  - early neural precursors
KW  - frühe neurale Vorläufer
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150348
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kwok, Chee Keong
T1  - Scaling up production of reprogrammed cells for biomedical applications
T1  - Skalierung der Produktion von reprogrammierten Zellen für biomedizinische Anwendungen
N2  - Induced pluripotent stem cells (iPSCs) have been recognised as a virtually unlimited source of stem cells that can be generated in a patient-specific manner. Due to these cells’ potential to give rise to all differentiated cell types of the human body, they have been widely used to derive differentiated cells for drug screening and disease modelling purposes. iPSCs also garner much interest as they can potentially serve as a source for cell replacement therapy. Towards the realisation of these biomedical applications, this thesis aims to address challenges that are associated with scale-up, safety and biofabrication.

Firstly, the manufacture of a high number of human iPSCs (hiPSCs) will require standardised procedures for scale-up and the development of a flexible bioprocessing method, since standard adherent hiPSC culture exhibits limited scalability and is labour-intensive. While the quantity of cells that are required for cell therapy depends largely on the tissue and defect that these replacing cells are meant to correct, an estimate of 1 × 10^9 has been suggested to be sufficient for several indications, including myocardial infarction and islet replacement for diabetes. Here, the development of an integrated, microcarrier-free workflow to transition standard adherent hiPSC culture (6-well plates) to scalable stirred suspension culture in bioreactors (1 L working volume, 2.4 L maximum working volume) is presented. The two-phase bioprocess lasts 14 days and generates hiPSC aggregates measuring 198 ± 58 μm in diameter on the harvesting day, yielding close to 2 × 10^9 cells. hiPSCs can be maintained in stirred suspension for at least 7 weeks with weekly passaging, while exhibiting pluripotency-associated markers TRA-1-60, TRA-1-81, SSEA-4, OCT4, and SOX2. These cells retain their ability to differentiate into cells of all the three germ layers in vitro, exemplified by cells positive for AFP, SMA, or TUBB3. Additionally, they maintain a stable karyotype and continue to respond to specification cues, demonstrated by directed differentiation into beating cardiomyocyte-like cells. Therefore, the aim of manufacturing high hiPSC quantities was met using a state-of-the-art scalable suspension bioreactor platform.

Secondly, multipotent stem cells such as induced neural stem cells (iNSCs) may represent a safer source of renewable cells compared to pluripotent stem cells. However, pre-conditioning of stem cells prior to transplantation is a delicate issue to ensure not only proper function in the host but also safety. Here, iNSCs which are normally maintained in the presence of factors such as hLIF, CHIR99021, and SB431542 were cultured in basal medium for distinct periods of time. This wash-out procedure results in lower proliferation while maintaining key neural stem cell marker PAX6, suggesting a transient pre-differentiated state. Such pre-treatment may aid transplantation studies to suppress tumourigenesis through transplanted cells, an approach that is being evaluated using a mouse model of experimental focal demyelination and autoimmune encephalomyelitis. 

Thirdly, biomedical applications of stem cells can benefit from recent advancements in biofabrication, where cells can be arranged in customisable topographical layouts. Employing a 3DDiscovery bioprinter, a bioink consisting of hiPSCs in gelatin-alginate was extruded into disc-shaped moulds or printed in a cross-hatch infill pattern and cross-linked with calcium ions. In both discs and printed patterns, hiPSCs recovered from these bioprints showed viability of around 70% even after 4 days of culture when loaded into gelatin-alginate solution in aggregate form. They maintained pluripotency-associated markers TRA-1-60 and SSEA-4 and continued to proliferate after re-plating. As further proof-of-principle, printed hiPSC 3D constructs were subjected to targeted neuronal differentiation, developing typical neurite outgrowth and resulting in a widespread network of cells throughout and within the topology of the printed matrix. Staining against TUBB3 confirmed neuronal identity of the differentiated cellular progeny. In conclusion, these data demonstrate that hiPSCs not only survive the 3D-printing process but were able to differentiate along the printed topology in cellular networks.
N2  - Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSZ) stellen eine praktisch unbegrenzte Stammzellquelle dar, welche patientenspezifisch erzeugt werden kann. Da diese Zellen das Potenzial haben, alle differenzierten Zelltypen des menschlichen Körpers hervorzubringen, werden sie für die Herstellung differenzierter Zellen für Arzneimitteltests und für die Krankheitsmodellierung verwendet. Sie erfahren auch großes Interesse, weil sie als Zellquelle in der Zellersatztherapie Anwendung finden könnten. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit drei zentralen Herausforderungen, die im Rahmen der biomedizinischen Anwendung von iPSZ auftreten.

Die Herstellung einer großen Zahl von humanen iPSZ (hiPSZ) erfordert die Entwicklung standardisierter Verfahren für die Skalierung, welche durch die Entwicklung einer flexiblen Bioprozessmethode realisiert werden kann. Bisher wird die Skalierbarkeit durch eine standardmäßig adhärente Zellkultur und den damit verbundenen hohen Arbeitsaufwand begrenzt. Die Menge an Zellen, die für die Zelltherapie benötigt wird, hängt stark vom Gewebetyp ab, welcher von den ersetzenden Zellen korrigiert werden soll. Berechnungen legen nahe, dass eine Anzahl 1 × 10^9 Zellen für eine Vielzahl von Indikationen ausreicht – einschließlich Myokardinfarkt und Inselzelltransplantation für Diabetes. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein integrierter Arbeitsablauf zur skalierbaren Zellsuspensionskultur von hiPSZ ohne Verwendung von microcarrier entwickelt, um die standardmäßig adhärente Kultur (6-Well-Platten) in Bioreaktoren (1 L Arbeitsvolumen, 2,4 L maximales Arbeitsvolumen) zu überführen. Der zweiphasige Produktionsprozess dauert 14 Tage und erzeugt hiPSZ-Aggregate mit einem finalen Durchmesser von 198 ± 58 μm, der annähernd 2 × 10^9 Zellen beinhaltet. hiPSZ können mindestens 7 Wochen lang in einer gerührten Zellsuspension bei wöchentlichem Passagieren gehalten werden, wobei sie Pluripotenz-assoziierte Marker wie TRA-1-60, TRA-1-81, SSEA-4, OCT4 und SOX2 beibehalten. Die Zellen behalten weiterhin ihre Fähigkeit, sich in vitro in Zellen mit AFP-, SMA- oder TUBB3-Immunoreaktivität und damit in Zellen aller drei Keimblätter zu differenzieren. Darüber hinaus halten sie einen stabilen Karyotyp aufrecht und reagieren auf gezielt eingesetzte externe Differenzierungsstimuli, wie durch eine gezielte Differenzierung in schlagende Kardiomyozyten-ähnliche Zellen demonstriert werden konnte. Somit wurde das Ziel, eine großen Anzahl hiPSCs herzustellen, mit einer hochmodernen, skalierbaren Suspensionsbioreaktorplattform erreicht.

Multipotente Stammzellen wie induzierte neurale Stammzellen (iNSZ) gelten verglichen mit iPSZ als sicherere Zellquelle für Ersatztherapien. Die Vorkonditionierung von Stammzellen vor der Transplantation ist jedoch ein heikles Thema, da sowohl die einwandfreie Funktion im Wirtsgewebe als auch Sicherheit gewährleistet werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden iNSZ, die normalerweise im Kulturmedium mit Faktoren wie hLIF, CHIR99021 und SB431542 gehalten werden, für eine definierte Zeitspanne in basalem Medium kultiviert. Die Vorbehandlung führt zu einer geringeren Proliferation, jedoch unter Erhalt der Expression des wichtigen neuralen Stammzellmarkers PAX6, was auf einen transienten vordifferenzierten Zustand hindeutet. Eine solche Vorbehandlung könnte bei zukünftigen Transplantationsstudien angewandt werden, um die Tumorentstehung durch transplantierte Zellen zu unterdrücken.  Dieser Ansatz wird in Zukunft mit einem Mausmodell der experimentellen fokalen Demyelinisierung und der autoimmunen Enzephalomyelitis untersucht. 

Schließlich kann die Zellersatztherapie von den jüngsten Fortschritten in der Biofabrikation profitieren, bei der die Zellen durch das Drucken in anpassbare topographische Profile angeordnet werden können. Mit einem 3DDiscovery Biodrucker wurde eine Biotinte bestehend aus Gelatine-Alginat und hiPSZ in scheibenförmig extrudiert oder in einem Kreuzschraffurmuster gedruckt und mittels Kalziumionen-Zugabe vernetzt. Gedruckte hiPSZ zeigten auch nach 4 Tagen Kultivierung eine Lebensfähigkeit von etwa 70 % und weiterhin das Auftreten der Pluripotenz-assoziierten Marker TRA-1-60 und SSEA-4. Zudem konnten sie sich anschließend mit standardmäßig adhärenter Zellkultur weiter vermehren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die gedruckten Konstrukte einer gezielten neuronalen Differenzierung unterzogen werden können, die zu einem typischen Neuritenauswuchs und zu einer weitreichenden interzellulären Vernetzung durch und innerhalb der Topologie der gedruckten Matrix führte. Die Färbung gegen TUBB3 bestätigte die neuronale Identität der differenzierten Zellen. Zusammenfassend zeigen diese Daten, dass bei Verwendung des in dieser Studie erarbeiteten Protokolls hiPSZ nicht nur den 3D-Druckprozess überleben, sondern auch entlang der gedruckten 3D Topologie in Netzwerke Neurone differenzieren können.
KW  - scale-up
KW  - suspension culture
KW  - biomedical applications
KW  - bioprocessing
KW  - human induced pluripotent stem cells
KW  - Bioprozessmethode
KW  - humanen induzierte pluripotente Stammzellen
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-191865
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mühlemann, Markus
T1  - Intestinal stem cells and the Na\(^+\)-D-Glucose Transporter SGLT1: potential targets regarding future therapeutic strategies for diabetes
T1  - Intestinale Stammzellen und der Na\(^+\)-D-Glukose Transporter SGLT1: potentielle Ansatzpunkte neuartiger Therapien für Diabetes Patienten
N2  - The pancreas and the small intestine are pivotal organs acting in close synergism to regulate glucose metabolism. After absorption and processing of dietary glucose within the small intestine, insulin and glucagon are released from pancreatic islet cells to maintain blood glucose homeostasis. Malfunctions affecting either individual, organ-specific functions or the sophisticated interplay of both organs can result in massive complications and pathologic conditions. One of the most serious metabolic diseases of our society is diabetes mellitus (DM) that is hallmarked by a disturbance of blood glucose homeostasis. Type 1 (T1DM) and type 2 (T2DM) are the main forms of the disease and both are characterized by chronic hyperglycemia, a condition that evokes severe comorbidities in the long-term. In the past, several standard treatment options allowed a more or less adequate therapy for diabetic patients. Albeit there is much effort to develop new therapeutic interventions to treat diabetic patients in a more efficient way, no cure is available so far. In view of the urgent need for alternative treatment options, a more systemic look on whole organ systems, their biological relation and complex interplay is needed when developing new therapeutic strategies for DM. 
T1DM is hallmarked by an autoimmune-mediated destruction of the pancreatic β-cell mass resulting in a complete lack of insulin that is in most patients restored by applying a life-long recombinant insulin therapy. Therefore, novel regenerative medicine-based concepts focus on the derivation of bioartificial β-like cells from diverse stem cell sources in vitro that survive and sustain to secrete insulin after implantation in vivo. In this context, the first part of this thesis analyzed multipotent intestinal stem cells (ISCs) as alternative cell source to derive bioartificial, pancreatic β-like cells in vitro. From a translational perspective, intestinal stem cells pose a particularly attractive cell source since intestinal donor tissues could be obtained via minimal invasive endoscopy in an autologous way. Furthermore, intestinal and pancreatic cells both derive from the same developmental origin, the endodermal gut tube, favoring the differentiation process towards functional β-like cells. In this study, pancreas-specific differentiation of ISCs was induced by the ectopic expression of the pancreatic transcription factor 1 alpha (Ptf1a), a pioneer transcriptional regulator of pancreatic fate. Furthermore, pancreatic lineage-specific culture media were applied to support the differentiation process. In general, ISCs grow in vitro in a 3D Matrigel®-based environment. Therefore, a 2D culture platform for ISCs was established to allow delivery and ectopic expression of Ptf1a with high efficiency. Next, several molecular tools were applied and compared with each other to identify the most suitable technology for Ptf1a delivery and expression within ISCs as well as their survival under the new established 2D conditions. Success of differentiation was investigated by monitoring changes in cellular morphology and induction of pancreatic differentiation-specific gene expression profiles. In summary, the data of this project part suggest that Ptf1a harbors the potential to induce pancreatic differentiation of ISCs when applying an adequate differentiation media. However, gene expression analysis indicated rather an acinar lineage-determination than a pancreatic β-cell-like specification. Nevertheless, this study proved ISCs not only as interesting stem cell source for the generation of pancreatic cell types with a potential use in the treatment of T1DM but alsoPtf1a as pioneer factor for pancreatic differentiation of ISCs in general. 
Compared to T1DM, T2DM patients suffer from hyperglycemia due to insulin resistance. In T2DM management, the maintenance of blood glucose homeostasis has highest priority and can be achieved by drugs affecting the stabilization of blood glucose levels. Recent therapeutic concepts are aiming at the inhibition of the intestinal glucose transporter Na+-D-Glucose cotransporter 1 (SGLT1). Pharmacological inhibition of SGLT1 results in reduced postprandial blood glucose levels combined with a sustained and increased Glucagon-like peptide 1 (GLP-1) secretion. So far, systemic side effects of this medication have not been addressed in detail. Of note, besides intestinal localization, SGLT1 is also expressed in various other tissues including the pancreas. In context of having a closer look also on the interplay of organs when developing new therapeutic approaches for DM, the second part of this thesis addressed the effects on pancreatic islet integrity after loss of SGLT1. The analyses comprised the investigation of pancreatic islet size, cytomorphology and function by the use of a global SGLT1 knockout (SGLT1-/-) mouse model. As SGLT1-/- mice develop the glucose-galactose malabsorption syndrome when fed a standard laboratory chow, these animals derived a glucose-deficient, fat-enriched (GDFE) diet. Wildtype mice on either standard chow (WTSC) or GDFE (WTDC) allowed the discrimination between diet- and knockout-dependent effects. Notably, GDFE fed mice showed decreased expression and function of intestinal SGLT1, while pancreatic SGLT1 mRNA levels were unaffected. Further, the findings revealed increased isled sizes, reduced proliferation- and apoptosis rates as well as an increased α-cell and reduced β-cell proportion accompanied by a disturbed cytomorphology in islets when SGLT1 function is lost or impaired. In addition, pancreatic islets were dysfunctional in terms of insulin- and glucagon-secretion. Moreover, the release of intestinal GLP-1, an incretin hormone that stimulates insulin-secretion in the islet, was abnormal after glucose stimulatory conditions. In summary, these data show that intestinal SGLT1 expression and function is nutrient dependent. The data obtained from the islet studies revealed an additional and new role of SGLT1 for maintaining pancreatic islet integrity in the context of structural, cytomorphological and functional aspects. With special emphasis on SGLT1 inhibition in diabetic patients, the data of this project indicate an urgent need for analyzing systemic side effects in other relevant organs to prove pharmacological SGLT1 inhibition as beneficial and safe.
Altogether, the findings of both project parts of this thesis demonstrate that focusing on the molecular and cellular relationship and interplay of the small intestine and the pancreas could be of high importance in context of developing new therapeutic strategies for future applications in DM patients.
N2  - Das komplexe Zusammenspiel zwischen Pankreas und Dünndarm ist von großer Bedeutung für den Zucker Stoffwechsel. Während der Dünndarm Glukose aus der Nahrung absorbiert, sezerniert der Pankreas Insulin und Glukagon für die Regulation des Blutzuckerspiegels. Bereits kleinste Fehlfunktionen in einem der beiden Organe können das fein abgestimmte Zusammenspiel aus der Balance bringen und zu schwerwiegenden Begleiterscheinungen führen. Die bekannteste Krankheit bezüglich eines gestörten Blutzuckerhaushaltes ist Diabetes mellitus (DM). Die wichtigsten Formen sind Typ1 und Typ 2 Diabetes, welche beide durch chronische Hyperglykämie gekennzeichnet sind, einem Zustand der langfristig zu schweren Komplikationen führt. Derzeit ist keine Heilung möglich, jedoch vermindert eine Vielzahl von Medikamenten und Therapien die auftretenden Symptome, was die Lebensqualität der Patienten erheblich verbessert. Für die Entwicklung von neuen Medikamenten und Therapien für DM Patienten, muss der Fokus vermehrt auf die Gesamtheit der Organ-Organ Interaktionen, sowie den entwicklungsbiologischen Ursprung der einzelnen Organe gerichtet werden.
Bei Typ 1 Diabetes werden die insulinsekretierende β-Zellen vom Immunsystem zerstört, was zu einem Mangel an Insulin führt. Deshalb ist eine regelmäßige Insulingabe unabdingbar, um eine Hyperglykämie vorzubeugen. Ein vielversprechender Ansatz um fehlendes Insulin zu kompensieren besteht darin aus Stammzellen bioartifizielle, insulinsekretierende Zellen zu generieren. In diesem Zusammenhang ist der biologische Ursprung der zu differenzierenden Zellen von großer Bedeutung. In dieser Arbeit werden daher intestinale Stammzellen (ISZ) als mögliche alternative Zellquelle beschrieben, um insulinsekretierende Zellen zu generieren. Aus medizinischer Sicht eigenen sich ISZ besonders gut für regenerative Therapien, da sie patientenspezifisch durch eine minimal-invasive Endoskopie entnommen werden können. Des Weiteren haben die beiden Organe einen gemeinsamen embryologischen Ursprung, die endodermalen Darmröhre, was die pankreatische Differenzierung begünstigen könnte. Mithilfe der ektopischen Expression des pankreatischen Masterregulators pankreatischer Transkriptionsfaktors 1 alpha (Ptf1a), sollen ISZ in insulinsekretierende β-Zell-ähnliche Zelltypen differenziert werden. Zudem soll ein pankreas-spezifisches Differenzierungsmedium die Effizienz der Differenzierung erhöhen. Da ISZ normalerweise in einer 3D Umgebung kultiviert werden, wurde für diese Arbeit eine 2D Zellkultur etabliert, um eine hocheffiziente genetische Manipulation zur ektopischen Expression von Ptf1a zu garantieren. Im nächsten Schritt wurde die bestmögliche Methode evaluiert um Ptf1a in ISZ zu integrieren, welche gleichzeitig aber das Wachstum und Überleben der Zellen nicht beeinträchtigt. Der Erfolg der angewandten Methode wurde basierend auf der Zellmorphologie, sowie der Transkription von pankreasspezifischen Genen überprüft. Die Ergebnisse dieser Studie haben gezeigt, dass die Ptf1a-induzierte Differenzierung in Verbindung mit der Applikation eines spezifischen Differenzierungsmediums das Genexpressionsprofil von Azinär Zellen induziert und nicht wie erwartet, das von endokrinen β-Zellen. Dies bedeutet, dass Ptf1a die Kapazität aufweist, ISZ in pankreatische Zellen zu konvertieren, jedoch bei der Entwicklung in Richtung insulinsekretierende β-Zellen keine Rolle spielt. Letztendlich zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass ISZ eine interessante Alternative zu pluripotenten Stammzellen darstellen. 
Im Gegensatz zu Typ 1 leiden Typ 2 Diabetes Patienten an Hyperglykämie infolge von Insulinresistenz, welche oft mit blutzuckerregulierenden Medikamenten behandelt werden können. Eine gute Therapiemöglichkeit ist die Inhibition des intestinalen Glukosetransporters SGLT1, was zu einer drastisch reduzierten postprandialen Glukoseaufnahme führt und gleichzeitig die intestinale Sekretion des Inkretins Glukose-like Peptide 1 (GLP-1) erhöht. Beides wirkt sich positiv auf die Blutzuckerregulation unter diabetischen Verhältnissen aus. Obwohl SGLT1 primär im Dünndarm exprimiert ist, wurde dessen Expression auch in anderen Organen, wie dem Gehirn, dem Herz, der Lunge und in pankreatischen α-Zellen nachgewiesen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde daher der Einfluss des Funktionsverlustes von SGLT1 auf die Integrität pankreatischer Inselzellcluster analysiert. Im diesem Rahmen wurde die Morphologie der pankreatischen Inseln, deren Architektur und Funktion mithilfe eines etablierten murinen SGLT1 Knockout (SGLT1-/-) Modelles untersucht. Da SGLT1-/- Mäuse unter einer Standard Labordiät (SD) ein schweres Glukose-Galaktose Malabsorptions Syndrom entwickeln, erhalten die Tiere eine glukose-freie, fett-angereicherte Diät (GDFE). Um diät- und knockoutspezifische Effekte unterscheiden zu können, wurden als Kontrollen SD- und GDFE-gefütterte Wildtyp Tiere mit den SGLT1-/- Mäusen verglichen. Wildtyptiere unter GDFE Diät zeigten eine verminderte Expression und Funktionalität des intestinalen SGLT1 Transporters, während im Pankreas die SGLT1 mRNA Expression nicht von der Diät beeinflusst wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass in SGLT1-/- Pankreata, die Inseln größer sind, aber auch die Proliferations- und Apoptoserate in den Inselzellen reduziert ist. Zudem befinden sich in SGLT1-/- Inseln mehr α-Zellen und weniger β-Zellen. Des Weiteren ist die typische Anordnung der endokrinen Zellen gestört. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass SGLT1 in pankreatischen Inseln eine wichtige Rolle für die strukturelle Organisation der verschiedenen Zelltypen innerhalb der Inseln spielt. Ergänzend wurde gezeigt, dass isolierte SGLT1-/- Inseln in der Gegenwart von Glukose unfähig sind Insulin oder Glukagon zu sezernieren. Weitere Untersuchungen im Tier haben ergeben, dass auch das insulinsekretionsfördernde Hormon GLP-1 in atypischer Art und Weise sekretiert wird. 
In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die intestinale SGLT1 Expression und Funktion durch Nährstoffe beeinflusst werden kann. Des Weiteren wurde erstmals eine neue Funktion für SGLT1 bezüglich der strukturellen und zellulären Organisation pankreatischer Inselzellcluster beschrieben. Daten zu neuen klinischen SGLT1 Inhibitoren beschreiben lediglich eine intestinale SGLT1 Blockierung, während die Wirkung in weitern Organen nicht berücksichtigt wurde. Die Daten dieser Arbeit liefern klare Indizien dafür, dass starke Nebenwirkungen und Effekte auch in anderen SGLT1-exprimierenden Geweben und Organen auftreten könnten, wenn die SGLT1 Funktion verloren geht. 
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Regulation des Blutzuckerspiegels auf einem komplexen Zusammenspiel zwischen Dünndarm und Pankreas basiert. Daher sollten bei zukünftigen SGLT1 Inhibitions-Studien im Menschen die Interaktionen zwischen den beiden Organen unbedingt berücksichtigt werden, um die Wirksamkeit und die Sicherheit solcher Medikamente für Diabetes Patienten besser darzulegen.
KW  - Stammzelle
KW  - Diabetes mellitus
KW  - Sglt1
KW  - GLP-1
KW  - blood glucose regulation
KW  - Intestinal stem cell
KW  - Lgr5
KW  - islets of Langerhans
KW  - pancreas
KW  - glucose
KW  - insulin
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169266
ER  - 
TY  - THES
A1  - Janz, Anna
T1  - Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) in inherited cardiomyopathies: Generation and characterization of an iPSC-derived cardiomyocyte model system of dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA)
T1  - Humane induzierte pluripotente Stammzellen in vererbbaren Kardiomyopathien: Generierung und Charakterisierung eines auf Stammzellen basierenden Herzmuskelmodellsystems der Dilatativen Kardiomyopathie mit Ataxie (DCMA)
N2  - The emergence of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) and the rise of the clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9 (CRISPR/Cas9) gene editing technology innovated the research platform for scientists based on living human pluripotent cells. The revolutionary combination of both Nobel Prize-honored techniques enables direct disease modeling especially for research focused on genetic diseases. To allow the study on mutation-associated pathomechanisms, we established robust human in vitro systems of three inherited cardiomyopathies: arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM), dilated cardiomyopathy with juvenile cataract (DCMJC) and dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA). 
Sendai virus vectors encoding OCT3/4, SOX2, KLF4, and c-MYC were used to reprogram human healthy control or mutation-bearing dermal fibroblasts from patients to an embryonic state thereby allowing the robust and efficient generation of in total five transgene-free iPSC lines. The nucleofection-mediated CRISPR/Cas9 plasmid delivery in healthy control iPSCs enabled precise and efficient genome editing by mutating the respective disease genes to create isogenic mutant control iPSCs. Here, a PKP2 knock-out and a DSG2 knock-out iPSC line were established to serve as a model of ACM. Moreover, a DNAJC19 C-terminal truncated variant (DNAJC19tv) was established to mimic a splice acceptor site mutation in DNAJC19 of two patients with the potential of recapitulating DCMA-associated phenotypes. In total eight self-generated iPSC lines were assessed matching internationally defined quality control criteria. The cells retained their ability to differentiate into cells of all three germ layers in vitro and maintained a stable karyotype. All iPSC lines exhibited a typical stem cell-like morphology as well as expression of characteristic pluripotency markers with high population purities, thus validating the further usage of all iPSC lines in in vitro systems of ACM, DCMA and DCMJC. 
Furthermore, cardiac-specific disease mechanisms underlying DCMA were investigated using in vitro generated iPSC-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs). DCMA is an autosomal recessive disorder characterized by life threatening early onset cardiomyopathy associated with a metabolic syndrome. Causal mutations were identified in the DNAJC19 gene encoding an inner mitochondrial membrane (IMM) protein with a presumed function in mitochondrial biogenesis and cardiolipin (CL) remodeling. In total, two DCMA patient-derived iPSC lines (DCMAP1, DCMAP2) of siblings with discordant cardiac phenotypes, a third isogenic mutant control iPSC line (DNAJC19tv) as well as two control lines (NC6M and NC47F) were directed towards the cardiovascular lineage upon response to extracellular specification cues. The monolayer cardiac differentiation approach was successfully adapted for all five iPSC lines and optimized towards ventricular subtype identity, higher population purities and enhanced maturity states to fulfill all DCMA-specific requirements prior to phenotypic investigations. To provide a solid basis for the study of DCMA, the combination of lactate-based metabolic enrichment, magnetic-activated cell sorting, mattress-based cultivation and prolonged cultivation time was performed in an approach-dependent manner. The application of the designated strategies was sufficient to ensure adult-like characteristics, which included at least 60-day-old iPSC-CMs. Therefore, the novel human DCMA platform was established to enable the study of the pathogenesis underlying DCMA with respect to structural, morphological and functional changes. 
The disease-associated protein, DNAJC19, is constituent of the TIM23 import machinery and can directly interact with PHB2, a component of the membrane bound hetero-oligomeric prohibitin ring complexes that are crucial for phospholipid and protein clustering in the IMM. DNAJC19 mutations were predicted to cause a loss of the DnaJ interaction domain, which was confirmed by loss of full-length DNAJC19 protein in all mutant cell lines. The subcellular investigation of DNAJC19 demonstrated a nuclear restriction in mutant iPSC-CMs. The loss of DNAJC19 co-localization with mitochondrial structures was accompanied by enhanced fragmentation, an overall reduction of mitochondrial mass and smaller cardiomyocytes. Ultrastructural analysis yielded decreased mitochondria sizes and abnormal cristae providing a link to defects in mitochondrial biogenesis and CL remodeling. Preliminary data on CL profiles revealed longer acyl chains and a more unsaturated acyl chain composition highlighting abnormities in the phospholipid maturation in DCMA. 
However, the assessment of mitochondrial function in iPSCs and dermal fibroblasts revealed an overall higher oxygen consumption that was even more enhanced in iPSC-CMs when comparing all three mutants to healthy controls. Excess oxygen consumption rates indicated a higher electron transport chain (ETC) activity to meet cellular ATP demands that probably result from proton leakage or the decoupling of the ETC complexes provoked by abnormal CL embedding in the IMM. 
Moreover, in particular iPSC-CMs presented increased extracellular acidification rates that indicated a shift towards the utilization of other substrates than fatty acids, such as glucose, pyruvate or glutamine. The examination of metabolic features via double radioactive tracer uptakes (18F-FDG, 125I-BMIPP) displayed significantly decreased fatty acid uptake in all mutants that was accompanied by increased glucose uptake in one patient cell line only, underlining a highly dynamic preference of substrates between mutant iPSC-CMs. 
To connect molecular changes directly to physiological processes, insights on calcium kinetics, contractility and arrhythmic potential were assessed and unraveled significantly increased beating frequencies, elevated diastolic calcium concentrations and a shared trend towards reduced cell shortenings in all mutant cell lines basally and upon isoproterenol stimulation. Extended speed of recovery was seen in all mutant iPSC-CMs but most striking in one patient-derived iPSC-CM model, that additionally showed significantly prolonged relaxation times. The investigations of calcium transient shapes pointed towards enhanced arrhythmic features in mutant cells comprised by both the occurrence of DADs/EADs and fibrillation-like events with discordant preferences.
Taken together, new insights into a novel in vitro model system of DCMA were gained to study a genetically determined cardiomyopathy in a patient-specific manner upon incorporation of an isogenic mutant control. Based on our results, we suggest that loss of full-length DNAJC19 impedes PHB2-complex stabilization within the IMM, thus hindering PHB-rings from building IMM-specific phospholipid clusters. These clusters are essential to enable normal CL remodeling during cristae morphogenesis. Disturbed cristae and mitochondrial fragmentation were observed and refer to an essential role of DNAJC19 in mitochondrial morphogenesis and biogenesis. Alterations in mitochondrial morphology are generally linked to reduced ATP yields and aberrant reactive oxygen species production thereby having fundamental downstream effects on the cardiomyocytes` functionality. DCMA-associated cellular dysfunctions were in particular manifested in excess oxygen consumption, altered substrate utilization and abnormal calcium kinetics. The summarized data highlight the usage of human iPSC-derived CMs as a powerful tool to recapitulate DCMA-associated phenotypes that offers an unique potential to identify therapeutic strategies in order to reverse the pathological process and to pave the way towards clinical applications for a personalized therapy of DCMA in the future.
N2  - Die Entwicklung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) und die biotechnologische Anwendung des „clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9“ (CRISPR/Cas9) Gen-Editierungssystems bilden eine innovative Forschungsplattform für Wissenschaftler basierend auf lebenden menschlichen pluripotenten Stammzellen. Die bahnbrechende Kombination beider nobelpreisprämierter Techniken erlaubt eine direkte Krankheitsmodellierung insbesondere für die Erforschung von genetisch bedingten Erkrankungen. Um die Untersuchung von mutationsassoziierten Pathomechanismen zu ermöglichen, etablierten wir robuste humane in vitro Systeme von drei vererbbaren Kardiomyopathien: die arrhythmogene Kardiomyopathie (AKM), die dilatative Kardiomyopathie mit juveniler Katarakt (DKMJK) und die dilatative Kardiomyopathie mit Ataxie (DKMA).
Zur Generierung von transgenfreien iPS-Zellen wurden für OCT3/4, SOX2, KLF4 und c-MYC kodierende Sendai-Virus-Vektoren verwendet um humane gesunde Kontroll- oder mutationstragende dermale Fibroblasten von Patienten in einen embryonalen Zustand zu reprogrammieren. Die Verwendung der SeV-vermittelten Reprogrammierung ermöglichte uns eine effiziente und robuste Herstellung von insgesamt fünf transgen-freien iPS-Zelllinien. Zudem befähigt die Nukleofektion der CRISPR/Cas9-Plasmide in gesunden Kontroll-iPS-Zellen eine präzise und effiziente Genom-Editierung krankheitsrelevanter Gene und damit die Generierung von isogenen mutierten iPS-Zelllinien. Mit diesem Verfahren wurden eine PKP2-Knock-out- und eine DSG2-Knock-out iPSZ-Linie hergestellt, die jeweils als Modell für AKM dienen. Darüber hinaus wurde eine mit DKMA-assoziierte Spleißakzeptormutation auf genetischer Basis imitiert, um die mit dem Phänotyp zweier Patienten in Verbindung gebrachte C-terminal verkürzte DNAJC19-Variante (DNAJC19tv) auf translationaler Ebene rekapitulieren zu können. Alle acht eigens generierten iPS-Zelllinien entsprachen international definierten Qualitätskontrollkriterien.  Die hergestellten iPS-Zellen behielten die Fähigkeit in vitro in Zellen der drei Keimblätter zu differenzieren und zeigten darüber hinaus einen normalen Karyotyp. Alle iPS-Zelllinien wiesen eine typische stammzellähnliche Morphologie sowie die Expression charakteristischer Pluripotenzmarker bei gleichzeitig hoher Populationsreinheit auf. Die experimentelle Qualtitätskontrolle hat somit die weitere Verwendung aller iPS-Zelllinien in in vitro Systemen von AKM, DKMA und DKMJK validiert.
Die der DKMA zugrundeliegenden herzspezifischen Krankheitsmechanismen wurden zudem mithilfe von in vitro produzierten iPSZ-abgeleiteten Kardiomyozyten (iPSZ-KMs) untersucht. DKMA ist eine autosomal rezessiv vererbte Erkrankung, die durch Mutationen im DNAJC19 Gen hervorgerufen wird. Das wichtigste klinische Merkmal der Patienten ist eine früh einsetzende und lebensbedrohliche dilatative Kardiomyopathie, die oftmals mit einem metabolischen Syndrom einhergeht. DNAJC19 kodiert für ein Protein der inneren mitochondrialen Membran (IMM), dessen postulierte Funktion in der mitochondrialen Biogenese und der Remodellierung von Cardiolipin liegt. Zur Modellierung der DKMA wurden zwei von DKMA-Patienten abgeleitete iPS-Zelllinien (DCMAP1, DCMAP2) eines Geschwisterpaares mit unterschiedlich ausgeprägten kardialen Phänotypen, eine dritte isogene mutierte iPS-Zelllinie (DNAJC19tv) sowie zwei gesunden Kontroll-iPS-Zelllinien (NC6M und NC47F) mithilfe extrazellulärer Spezifikationsfaktoren zur kardiovaskulären Differenzierung angeregt. 
Das Monolayer-Protokoll zur kardialen Differenzierung wurde erfolgreich für alle fünf iPSZ-Linien adaptiert und in Bezug auf die Anreicherung des ventrikulären Herzmuskelzellsubtyps, höhere Zellpopulationsreinheiten und adulte Reifegrade optimiert. Die Kombination der Laktat-basierten metabolischen Aufreinigung, der magnetisch-aktivierten Zellsortierung, der Anwendung einer Mattress-basierten Kultivierungsstrategie und verlängerte Kultivierungszeiten ermöglichte die Erfüllung aller DKMA-spezifischen Anforderungen. Zusammengefasst konnten insbesondere adulte Charakteristika durch die Kombination der benannten experimentellen Strategien unter Verwendung von mindestens 60 Tage kultivierten iPSZ-KMs nachgewiesen werden, um eine zuverlässige phänotypische Untersuchung der DKMA gewährleisten zu können. Die innovative humane Untersuchungsplattform wurde etabliert, um die Pathogenese der DKMA im Hinblick auf strukturelle, morphologische und funktionelle Veränderungen entschlüsseln zu können.
Das mit DKMA assoziierte Protein DNAJC19 ist Bestandteil der TIM23-Importmaschinerie und besitzt zudem die Fähigkeit einer direkten Interaktion mit PHB2. PHB2 trägt zur Bildung der membrangebundenen hetero-oligomeren Prohibitin-Ringkomplexe bei, deren Hauptfunktion in der Anreicherung von Phospholipiden und Proteinen innerhalb von Clustern in der IMM liegt. Der durch DNAJC19 Mutationen vermutete hervorgerufenen Verlust der DnaJ-Interaktionsdomäne wurde durch die fehlende Expression des DNAJC19 Proteins in voller Länge in allen mutationstragenden Zellen bestätigt. Die subzelluläre Untersuchung von DNAJC19 zeigte ein auf den Kern beschränktes Expressionsmuster in mutierten iPSZ-KMs. Der Verlust der DNAJC19 Ko-Lokalisation mit mitochondrialen Strukturen ging mit einer abnormen mitochondrialen Fragmentierung, einer signifikanten Abnahme der mitochondrialen Masse und einer signifikant reduzierten Kardiomyozytengröße einher. Ultrastrukturelle Analysen ergaben zudem kleinere Mitochondrien und abnorme Cristae, die eine krankheitsrelevante Verbindung zu Defekten in der mitochondrialen Biogenese und der CL-Reifung darlegen. Vorläufige Daten zu CL-Profilen zeigten längere Acylketten und eine ungesättigtere Acylkettenzusammensetzung, was auf Anomalien in der Phospholipidmaturierung bei DKMA hinweist.
Der Vergleich aller Mutanten mit gesunden Kontrollen hinsichtlich der mitochondrialen Funktion in iPS-Zellen und Hautzellen (dermale Fibroblasten), zeigte eine insgesamt höhere Sauerstoffverbrauchsrate, die in iPSZ-KMs noch stärker ausgeprägt war. Der erhöhte Sauerstoffverbrauch deutet auf eine höhere Aktivität der Elektronentransportkette hin um den zellulären Energiebedarf decken zu können. Wir vermuten einen erhöhten Sauerstoffverbrauch als Konsequenz des Protonendurchsickerns oder der Entkopplung der ETC-Komplexe, das durch eine abnorme CL-Einbettung in der IMM bedingt sein könnte.
Darüber hinaus wiesen insbesondere iPSZ-KMs erhöhte extrazelluläre Säuerungsraten auf, die auf eine Verstoffwechselung anderer Substrate wie Glukose, Pyruvat oder Glutamin hinweisen, im Gegensatz zu der ansonsten bevorzugten Verstoffwechslung von Fettsäuren. Die Untersuchung der metabolischen Eigenschaften mittels der radioaktiven Tracer 18F-FDG und 125I-BMIPP zeigte eine signifikant verringerte Fettsäureaufnahme in allen Mutanten, die nur in einer Patientenzelllinie von einer erhöhten Glukoseaufnahme begleitet wurde. Diese Ergebnisse weisen auf eine DKMA-spezifische hochdynamische Präferenz der Substrate zwischen den unterschiedlichen Mutanten hin.
Um den Einfluss der molekularen Veränderungen direkt mit physiologischen Prozessen in Verbindung bringen zu können, wurden Untersuchungen der Kalziumkinetik, der Kontraktilität und des arrhythmischen Potentials durchgeführt. Einzelzellmessungen ergaben eine signifikant erhöhte Kontraktionsfrequenz, erhöhte diastolische Kalziumkonzentrationen und eine Tendenz zu reduzierten Zellverkürzungen in allen mutierten Zelllinien basal und verstärkt nach Isoproterenol-Stimulation. Zudem wurden verlangsamte Erholungsgeschwindigkeiten in allen mutierten iPSZ-KMs festgestellt, das in den iPSZ-KMs des einen Patienten besonders auffällig war und mit verlängerten Relaxationszeiten einherging. Die Evaluation der Kalziumtransientenformen deutet auf verstärkte arrhythmische Merkmale in den mutierten Zellen hin, die sowohl das Auftreten von DADs/EADs als auch Fibrillations-ähnlichen Ereignissen mit gegensätzlichen Präferenzen umfasste.
Insgesamt wurden unter der Verwendung patientenspezifischer iPS-Zellen und einer isogenen Mutantenkontrolle neue Einblicke in ein innovatives in vitro Modellsystem der DKMA gewonnen. Basierend auf unseren Ergebnissen vermuten wir, dass der Verlust des DNAJC19 Proteins in voller Länge die Stabilisierung von PHB-Komplexen innerhalb der IMM beeinträchtigt und damit PHB-Ringe an der Bildung von IMM-spezifischen Phospholipid-Clustern hindert. Diese Cluster sind essentiell um eine normale Cardiolipin-Reifung und dessen Funktion in der Cristae-Morphogenese gewährleisten zu können. Abnorme Cristae und fragmentierte mitochondriale Strukturen wurden beobachtet und deuten so auf eine essentielle Rolle von DNAJC19 in der mitochondrialen Morphogenese und Biogenese hin. Abnorme Veränderungen in der mitochondrialen Morphologie werden in der Regel mit einer verminderten ATP-Verfügbarkeit und einer erhöhten Produktion an freien Sauerstoffradikalen assoziiert, das nachfolgend die gesamte Funktionalität der Kardiomyozyten negativ beeinflussen kann. Diese Veränderungen konnten anhand einer erhöhten Sauerstoffverbrauchsrate, unterschiedliche metabolische Eigenschaften und einer abnormalen Kalziumkinetik gemessen werden. 
Die zusammengefassten Daten unterstreichen die Verwendbarkeit von humanen iPSZ-KMs als ein eindrucksvolles System zur Rekapitulation von herzspezifischen Phänotypen und haben damit neue Einblicke in die Pathogenese der DKMA ermöglicht. Das Modellsystem bietet ein einzigartiges Potenzial zur Identifizierung therapeutischer Strategien, um pathologische Prozesse umkehren zu können und so den Weg für zukünftige klinische Anwendungen im Rahmen der personalisierten Therapie zu ebnen.
KW  - in vitro model system of inherited cardiomyopathies
KW  - Induzierte pluripotente Stammzelle
KW  - CRISPR/Cas-Methode
KW  - induced pluripotent stem cells (iPSCs)
KW  - iPSC-derived CMs (iPSC-CMs)
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - dilated cardiomyopathy with ataxia (DCMA)
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240966
ER  -